influencia del borde de ataque sobre las curvas...

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

Presentado ante la ilustre

Universidad Central de Venezuela

por el Br. Daniel A. Trujillo G.

para optar al Título

de Ingeniero Mecánico

Caracas, 2008

INFLUENCIA DEL BORDE DE ATAQUE SOBRE LAS CURVAS

CARACTERISTICAS AERODINAMICAS DE PERFILES

SERIE NACA Y SZ-2000

I

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

TUTOR ACADÉMICO: Prof. Stefan Zarea

Presentado ante la ilustre

Universidad Central de Venezuela

por el Br. Daniel A. Trujillo G.

para optar al Título

de Ingeniero Mecánico

Caracas, 2008

INFLUENCIA DEL BORDE DE ATAQUE SOBRE LAS CURVAS

CARACTERISTICAS AERODINAMICAS DE PERFILES

SERIE NACA Y SZ-2000

II

Autor: Trujillo G. Daniel A.

INFLUENCIA DEL BORDE DE ATAQUE SOBRE LAS CURVAS CARACTERISTICAS

AERODINAMICAS DE PERFILES SERIE NACA Y SZ 2000

Tutor Académico: Prof. Stefan Zarea, Tesis 283 pag.

Caracas, UCV. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica

Palabras Claves: Perfiles Aerodinámicos, Método ZAREA, Curvas Polares, Borde de Ataque.

RESUMEN

En este trabajo especial se han realizado estudios detallados en algunos perfiles de dos series

determinadas, NACA de 6 dígitos y SZ-2000 a los cuales se les han hecho modificaciones que

consisten en sustituir el borde de ataque extendido (intradós y extradós) aproximadamente un

20% de la cuerda, por curvas semejantes a parábolas siguiendo un método diseñado por el tutor

de esta tesis Prof. S. Zarea (patente pendiente). Por medio de un Software (VisualFoil 4.1) se

obtuvo el valor de los coeficientes aerodinámicos CL, CD, CM, para un rango aproximado de 15

grados de ángulo de ataque y 5 valores de numero de Reynolds. Se trazaron las curvas

características de cada perfil (base y modificado) con el fin de estudiar la influencia del borde de

ataque en las curvas características aerodinámicas y de esta manera establecer comparaciones de

dichos perfiles modificados con los perfiles base, cuantificando y resaltando el incremento

resultante en los valores de coeficiente de sustentación y fineza aerodinámica para valores con

ángulo de ataque de 0º, 10º y máximos valor de dichos coeficientes, con respecto a los perfiles

base seleccionados. En todos los casos estudiados las modificaciones del borde de ataque

evidencia un incremento del coeficiente de sustentación. La fineza aerodinámica mostró un

incremento para 95% de los perfiles estudiados demostrándose la eficacia del procedimiento de

modificación utilizado. Para finalizar se observo que la modificación en el borde de ataque de un

perfil tiene un efecto favorable y significativo sobre sus características aerodinámicas. Utilizando

el software CFX se realizo la simulación del flujo alrededor un perfil NACA de 6 dígitos y el

homologo modificado obteniendo el espectro aerodinámico, la distribución de presión y

velocidad y los valores de los coeficientes CL, CD que difieren de los datos experimentales. El

método de modificación del borde de ataque es fácil de aplicar y permitirá extender el campo de

aplicación de perfiles existentes para resolver problemas de interés practico.

III

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis padres, Armando y Delsy y a mis hermanos Damián y Dyanis con

quienes he contado en todo momento.

IV

AGRADECIMIENTOS

Para la realización de este trabajo especial aprovecho esta oportunidad para expresar mi

reconocimiento y gratitud a:

• A mi Tutor Prof. Dr. Ing. Stefan Zarea, quien propuso el tema de estudio y que facilito el

programa VisualFoil 4.1, por permitirme ser un combatiente en el desarrollo de su línea

de investigación en el área de perfiles aerodinámicos y brindarme sus valiosos

conocimientos, sugerencia y permanente supervisión para la elaboración del presente

trabajo especial. Gracias a su perseverancia, buena disposición y animo de trabajo aprendí

que lo mas importante para cumplir un objetivo es la constancia, voluntad, orden,

espíritu creativo y mucho trabajo.

• Al Prof. Julio Segura por haberme facilitado el acceso a la sala de tesistas y el software

CFX utilizado para el desarrollo del capitulo V de este trabajo especial, además del buen

trato y sus valiosas sugerencias para el uso de dicho software.

• Al Ing. Miguel Barrito por haberme enseñado las herramientas necesarias en el software

CFX para la realización de las simulaciones computacionales.

• Al Ing. Julio Aparicio por su oportuna ayuda en el uso del programa VisualFoil 4.1 y por

brindarme el software Grapher.

• A Jesús Urdaneta mi gran amigo por todo el apoyo brindado, gracias al trabajo en equipo

se hizo posible gran parte de todo el trabajo realizado.

• A Jorge Juzga, gracias a tus sugerencias y buena disposición se hizo posible resolver

algunos problemas técnicos computacionales durante la realización de este trabajo

especial.

V

NOMENCLATURA

CL : Coeficiente de sustentación

CD : Coeficiente de arrastre

CM : Coeficiente de momento

CLmax : Coeficiente de sustentación máxima

CD(Lmax) : Coeficiente de arrastre para sustentación máxima

CP, c.p : Centro de presión

Ce : Valor experimental

Cc : Valor computacional

c : Cuerda del perfil

emax : Espesor máximo

fmax : Curvatura máxima

Re : Numero de Reynolds

xemax : Abscisa del espesor máxima del perfil

xfmax : Abscisa de la curvatura máxima del perfil

yemax : Ordenada del espesor máximo del perfil

α : Angulo de ataque

αmax : Angulo de ataque para sustentación máximo

ε = CL / CD : Fineza aerodinámica

F : Fuerza hidrodinámica

FD : Fuerza de arrastre

FL : Fuerza de sustentación

A : Area ER : Error relativo porcentual

VI

LISTA DE FIGURAS

CAPITULO I

Figura Nº

1.5.1.1.- Características geométricas principales de un perfil aerodinámico...................................6

1.5.2.1.- Fuerza y momento aerodinámico resultante sobre un perfil..............................................7

1.5.2.2.- Fuerza aerodinámica resultante y sus componentes...........................................................7

1.5.3.1.- Fig. 1.5.3.1. Curvas características aerodinámicas: a) coeficiente de sustentación vs.

ángulo de ataque, coeficiente de arrastre multiplicado por 20 vs. ángulo de ataque; b)

coeficiente de momento vs. ángulo de ataque; c) fineza aerodinámica (Cl/Cd) vs.

ángulo de ataque; y d) Curva polar; para el perfil SZ2051, Re = 1E6.............................10

CAPITULO III

Figura Nº

3.1.- Contornos de los perfiles NACA estudiados.......................................................................20

3.2.1.- a) Contorno, b) Curvas Polares del perfil NACA 631-212, c) Curvas Cl/Cd y d) Cl y Cd

vs. ángulo de ataque del perfil NACA 631-212...............................................................22











3.2.7.- a) Contorno, b) Curvas Polares del perfil NACA 63A-010, c) Curvas Cl/Cd y d) Cl y Cd

vs. ángulo de ataque del perfil NACA 63A-010.............................................................28



VII


vs. ángulo de ataque del perfil NACA 64-110................................................................30











3.2.15.- a) Contorno, b) Curvas Polares del perfil NACA 64A-010, c) Curvas Cl/Cd y d) Cl y Cd

vs. ángulo de ataque del perfil NACA 64A-010.............................................................36











3.3.1.- a) Cp (0º, 5º y αM: α para Clmax) vs. X para Re = 1 E6 (leer Cp(αM) a la derecha)

y (b) Curvas Polares del perfil NACA 631-212. Met. Panel y Capa Límite. 180 Puntos.

(c) Curvas Cl/Cd y (d) Cl, Cd y Cm vs. Ángulo de ataque del perfil

NACA 631-212................................................................................................................43

VIII




NACA 631-412................................................................................................................44




NACA 632-215................................................................................................................45




NACA 632-615................................................................................................................46




NACA 634-221................................................................................................................47




NACA 634-421................................................................................................................48


y (b) Curvas Polares del perfil NACA 63A-010. Met. Panel y Capa Límite. 180 Puntos.


NACA 63A-010...............................................................................................................49




NACA 641-012................................................................................................................50

IX




NACA 64-110..................................................................................................................51




NACA 64-409..................................................................................................................52




NACA 641-412................................................................................................................53




NACA 641-612................................................................................................................54




NACA 642-415................................................................................................................55




NACA 643-418................................................................................................................56




NACA 64A-010...............................................................................................................57

X




NACA 65-006..................................................................................................................58




NACA 652-415................................................................................................................59




NACA 653-418................................................................................................................60




NACA 653-618................................................................................................................61




NACA 662-415................................................................................................................62

CAPITULO IV

4.1.1.- Contorno de los perfiles de la serie SZ2000 evaluados computacionalmente..................118

4.1.2.- Contorno de los perfiles base y sus respectivas modificaciones.......................................119




NACA 63-006................................................................................................................124

XI




NACA 63-018................................................................................................................125




NACA 63-206................................................................................................................126




NACA 63-218................................................................................................................127




NACA 63-418................................................................................................................128




NACA 63-421................................................................................................................129




NACA 64-006................................................................................................................130




NACA 64-208................................................................................................................131

XII




NACA 64-418................................................................................................................132




NACA 65-006................................................................................................................133




NACA 65-209................................................................................................................134




NACA 65-415................................................................................................................135




NACA 65-421................................................................................................................136




NACA 65-618................................................................................................................137




NACA 66-221................................................................................................................138

XIII




NACA 66-415................................................................................................................139




NACA 63A-210.............................................................................................................140




NACA 64A-010.............................................................................................................141




NACA 653-618..............................................................................................................142


y (b) Curvas Polares del perfil ZAREA 63-006. Met. Panel y Capa Límite. 220 Puntos.


ZAREA 63-006..............................................................................................................143




ZAREA 63-018..............................................................................................................144




ZAREA 63-206..............................................................................................................145

XIV




ZAREA 63-218..............................................................................................................146




ZAREA 63-418..............................................................................................................147




ZAREA 63-421..............................................................................................................148




ZAREA 64-006..............................................................................................................149




ZAREA 64-208..............................................................................................................150




ZAREA 64-418..............................................................................................................151




ZAREA 65-006..............................................................................................................152

XV




ZAREA 65-209..............................................................................................................153




NACA 65-415................................................................................................................154




ZAREA 65-421..............................................................................................................155




ZAREA 65-618..............................................................................................................156




ZAREA 66-221..............................................................................................................157




ZAREA 66-415..............................................................................................................158


y (b) Curvas Polares del perfil ZAREA 63A-210. Met. Panel y Capa Límite. 220

Puntos. (c) Curvas Cl/Cd y (d) Cl, Cd y Cm vs. Ángulo de ataque del perfil

ZAREA 63A-210...........................................................................................................159

XVI




ZAREA 64A-010...........................................................................................................160




ZAREA 653-618............................................................................................................161

4.4.1.- a) Cp (0º, 5º y αM: α paraClmax) vs. X para Re = 1 E6 (leer Cp(αM) a la derecha)

y (b) Curvas Polares del perfil SZ2051. Met. Panel y Capa Límite. 220 Puntos.


SZ2051...........................................................................................................................162




SZ2052...........................................................................................................................163




SZ2053...........................................................................................................................164




SZ2054...........................................................................................................................165




SZ2055...........................................................................................................................166

XVII




SZ2056...........................................................................................................................167




SZ2057...........................................................................................................................168




SZ2058...........................................................................................................................169




SZ2059...........................................................................................................................170




SZ2060...........................................................................................................................171




SZ2061...........................................................................................................................172




SZ2062...........................................................................................................................173

XVIII




SZ2063...........................................................................................................................174




SZ2064...........................................................................................................................175




SZ2065...........................................................................................................................176




SZ2066...........................................................................................................................177




SZ2067...........................................................................................................................178




SZ2068...........................................................................................................................179




SZ2069...........................................................................................................................180

XIX




SZ2070...........................................................................................................................180




SZ2071...........................................................................................................................181




SZ2072...........................................................................................................................183




SZ2073...........................................................................................................................184




SZ2074...........................................................................................................................185




SZ2075...........................................................................................................................186




SZ2076...........................................................................................................................187

XX




SZ2077...........................................................................................................................188




SZ2078...........................................................................................................................189




SZ2079...........................................................................................................................190




SZ2080...........................................................................................................................191


y (b) Curvas Polares del perfil SZ2055M. Met. Panel y Capa Límite. 220 Puntos.


SZ2055M.......................................................................................................................192




SZ2059M.......................................................................................................................193




SZ2069M.......................................................................................................................194

XXI




SZ2074M.......................................................................................................................195

CAPITULO V

Figura Nº.

5.1.1.- Estructura del Software ANSYS CFX............................................................................235

5.2.1.- Geometría e identificación de las regiones.....................................................................238

5.2.2.- Influencia de los puntos de control y expansión sobre la malla de superficie................239

5.2.3.- Sensibilidad de la malla..................................................................................................240

5.3.1.- Líneas de corriente sobre el perfil NACA 63A-210, α = 0º y Re 1E6...........................245

5.3.2.- Líneas de corriente sobre el perfil NACA 63A-210 con α = 5º y Re = 1E6..................245

5.3.3.- Líneas de corriente sobre el perfil NACA 63A-210 con α = 10º y Re = 1E6................246

5.3.4.- Distribución de presión sobre el perfil NACA 63A-210 con α = 0º y Re = 1E6...........247

5.3.5.- Distribución de presión sobre el perfil NACA 63A-210 con α = 5º y Re = 1E6...........247

5.3.6.- Distribución de presión sobre el perfil NACA 63A-210 con α = 10º y Re = 1E6.........248

5.3.7.- Distribución de velocidad sobre el perfil NACA 63A-210, α = 0º y Re = 1E6............250

5.3.8.- Distribución de velocidad sobre el perfil NACA 63A-210, α = 5º y Re = 1E6............250

5.3.9.- Distribución de velocidad sobre el perfil NACA 63A-210, α = 10º y Re = 1E6..........251

5.3.10.- Distribución vectorial de la velocidad del flujo alrededor del perfil NACA 63A-210 con

α = 0º y Re = 1E6..........................................................................................................253

5.3.11.- Distribución vectorial de la velocidad del flujo alrededor del perfil NACA 63A-210

con α = 0º y Re = 1E6. .................................................................................................253

5.3.12.- Distribución vectorial de la velocidad del flujo alrededor del perfil NACA 63A-210

con α = 10º y Re = 1E6.................................................................................................254

5.3.13.- Representación vectorial de la fuerza proyectada en el ejeY sobre la superficie del

perfil NACA 63A-210 con α = 0º y Re = 1E6. ............................................................255

5.3.14.- Representación vectorial de la fuerza proyectada en el eje Y sobre la superficie del

perfil NACA 63A-210 con α = 5º y Re = 1E6..............................................................255

XXII


perfil NACA 63A-210 con α = 10º y Re = 1E6............................................................256

5.4.1.- Líneas de corriente sobre el perfil ZAREA 63A-210, α = 0º y Re 1E6..........................259

5.4.2.- Líneas de corriente sobre el perfil ZAREA 63A-210, α = 5º y Re 1E6..........................259

5.4.3.- Líneas de corriente sobre el perfil ZAREA 63A-210, α = 10º y Re 1E6........................260

5.4.4.- Distribución de presión sobre el perfil ZAREA 63A-210 con α = 0º y Re = 1E6..........261

5.4.5.- Distribución de presión sobre el perfil ZAREA 63A-210 con α = 5º y Re = 1E6..........261

5.4.6.- Distribución de presión sobre el perfil ZAREA 63A-210 con α = 10º y Re = 1E6........262

5.4.7.- Distribución de velocidad sobre el perfil ZAREA 63A-210, α = 0º y Re = 1E6...........264

5.4.8.- Distribución de velocidad sobre el perfil ZAREA 63A-210, α = 5º y Re = 1E6...........264

5.4.9.- Distribución de velocidad sobre el perfil ZAREA 63A-210, α = 10º y Re = 1E6.........265

5.4.10.- Distribución vectorial de la velocidad del flujo alrededor del perfil ZAREA 63A-210

con α = 0º y Re = 1E6....................................................................................................267


con α = 5º y Re = 1E6....................................................................................................267


con α = 10º y Re = 1E6..................................................................................................268


perfil ZAREA 63A-210 con α = 0º y Re = 1E6.............................................................269


perfil ZAREA 63A-210 con α = 5º y Re = 1E6.............................................................269


perfil ZAREA 63A-210 con α = 10º y Re = 1E6...........................................................270

XXIII

LISTA DE TABLAS

CAPITULO III

Tabla Nº

3.4.1.- Comparación entre las características aerodinámica experimentales y computacionales

para el perfil NACA 631-212 para diferentes números de Reynolds..............................65












para el perfil NACA 63A-010 para diferentes números de Reynolds.............................77




para el perfil NACA 64-110 para diferentes números de Reynolds...............................82


para el perfil NACA 64-409 para diferentes números de Reynolds...............................84









XXIV


para el perfil NACA 64A-010 para diferentes números de Reynolds............................99




para el perfil NACA 652-415 para diferentes números de Reynolds.............................103







CAPITULO IV

Tabla Nº

4.1.1.- Características geométricas de los perfiles base y modificados......................................123

4.6.1.- Comparación entre las características aerodinámicas del perfil NACA 63-006 y la

modificación ZAREA 63-006.......................................................................................197













XXV



















4.6.17.- Comparación entre las características aerodinámicas del perfil NACA 63A-210 y la

modificación ZAREA 63A-210....................................................................................223





4.6.20.- Comparación entre las características aerodinámicas del perfil SZ2055 y la

modificación SZ2055M.................................................................................................229





XXVI

4.6.23.- Comparación entre las características aerodinámicas del perfil SZ2074 y la modificación

SZ2074M.......................................................................................................................232

CAPITULO V

Tabla Nº

5.3.1.- Parámetros de la simulación del perfil NACA 63A-210 para Re = 1x106......................246

5.4.1.- Parámetros de la simulación del perfil ZAREA 63A-210 para Re = 1x106....................260

5.5.1.- Comparación entre las características aerodinámica evaluadas en VisualFoil y CFX

para el perfil NACA 63A-210.......................................................................................274

5.5.2.- Comparación entre las características aerodinámica evaluadas en VisualFoil y CFX

para el perfil NACA 63A-210.......................................................................................274


modificación ZAREA 63A-210.....................................................................................275

XXVII

INDICE

PORTADA………………………………………………………………………………………....I

RESUMEN………………………………………………………………………………………...II

DEDICATORIA………………………………………………………………………………….III

AGRADECIMIENTOS…………………………………………………………………………..IV

NOMENCLATURA………………………………………………………………………………V

LISTA DE FIGURAS…..………………………………………………………………………..VI

LISTA DE TABLAS…………………………………………………………………………XXIII

INDICE…...………………………………………………………………....……………….XXVII

0. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………....…1

1. CAPITULO I: FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Y METODOLOGÍA DE ESTUDIO.......3

1.1. Planteamiento del tema……………………………………….……………………..............3

1.2. Importancia del estudio……………………………………….……………………..............3

1.3. Objetivos…………………………………………………….…………………………........4

1.4. Metodología de trabajo……………………………………....……………………...............5

1.5. Nociones básicas sobres perfiles aerodinámicos………………………………………...….6

1.5.1 Parámetros geométricos principales.................………………………………………..6

1.5.2 Fuerzas y momento aerodinámico..................................................................................7

1.5.3 Curvas características aerodinámicas………………………………………………….9

2. CAPITULO II: ANTECEDENTES Y ESTUDIOS PREVIOS…...………………….........….11

3. CAPITULO III: CARACTERISTICAS AERODINÁMICAS DE PERFILES SERIE NACA

DE 6 DÍGITOS............................................................................................................................13

3.1. Nomenclatura de los perfiles NACA.........................................…………………………...13

3.1.1. Perfiles NACA seleccionados para estudio comparativo............................................20

3.2. Curvas características aerodinámicas experimentales…………….……………………….21

3.3. Evaluación Computacional de 20 perfiles NACA-6.....................…....................................42

3.4. Comparación de los resultados computacionales y experimentales……………………….63

3.5. Comentarios………………………............................................................................……113

XXVIII

4. CAPITULO IV: EVALUACION COMPUTACIONAL DE PERFILES DE LA SERIE NACA,

SZ2000 Y MODIFICADOS……………………………………………………………......…...115

4.1. Modificación del borde de ataque y codificación de los nuevos perfiles...…………........116

4.2. Evaluación computacional de los perfiles NACA seleccionados.......................................124

4.3. Evaluación computacional de los perfiles NACA modificados………………….............143

4.4. Evaluación computacional de los perfiles SZ2000……….................................................162

4.5. Evaluación computacional de los perfiles SZ2000 modificados….....…….................…..189

4.6. Comparación de las características aerodinámicas de los perfiles base y modificados…..192

4.7. Comentarios……………………………………………..............................................…..233

5. CAPITULO V: SIMULACIÓN DEL FLUJO ALREDEDOR DE DOS PERFILES

UTILIZANDO EL PROGRAMA ANSYS CFX…………..........................................................235

5.1. Nociones básicas..............................................................................……....................…...236

5.1.1. Estructura del programa ANSYS CFX......................................................................237

5.2. Metodología y parámetros establecidos..............................................................................239

5.3. Simulación computacional del flujo alrededor del perfil NACA 63-A210 .....................246

5.4. Simulación computacional del flujo alrededor del perfil ZAREA 63-A210......................260

5.5. Tablas comparativas...........................................................................................................273

5.6. Comentarios……................................................................................................…………276

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………...........................................................277

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………….............................................................279

8. ANEXOS..................................................................................................................................283

1

INTRODUCCIÓN

Históricamente el desarrollo en el área de la aerodinámica se a incrementado al pasar los

años, debido a que antiguamente se utilizaban laboriosos métodos que requerían muchos recursos

y tiempo para evaluar un perfil aerodinámico, actualmente por medio de programas

computacionales este análisis se a hecho mas productivo y eficiente, debido a la necesidad de

incrementar la eficiencia de las turbomáquinas, aviones, etc y a los métodos computacionales

actuales que permiten una evaluación del comportamiento aerodinámico de nuevos perfiles.

En la Escuela de Ing. Mecánica UCV. el Prof. Stefan Zarea, especializado en el área de la

aerodinámica, a desarrollado novedosos métodos para la generación de perfiles desarrollados en

los 87 trabajos especiales y/o de grado que ha guiado durante 25 años donde se demuestra como

una pequeña modificación en la geometría de un perfil, genera notables cambios en los valores de

los coeficientes aerodinámicos. Una de las líneas de acción consiste en aprovechar los perfiles

existentes a los cuales se modificarían adecuadamente bien sea el borde de ataque, el borde de

fuga, o los dos bordes a fin de mejorar el desempeño aerodinámico, luego evaluando el

comportamiento a través de los coeficientes aerodinámicos globales: CL, CD, Cm y la fineza

aerodinámica ε. Para tal fin se dispone de programas de computación. De esta manera se pueden

evaluar fácilmente los nuevos perfiles, se logra trazar las curvas características aerodinámicas y

se accede a la comparación con las curvas características de los perfiles existentes. De esta

manera, en un periodo de tiempo limitado se pueden desarrollar un numero relativamente grande

de perfiles acercándose a una optimización. Para esta investigación, el Prof. tutor ha escogido

varios perfiles de la serie NACA de 6 dígitos y SZ2000, que se estudiaran sistemáticamente con

la metodología ya implementada en trabajos previos (Aparicio J., 2006, Ferrer C., 2007)

El informe esta organizado según los requerimientos definidos por las normativas de la EIM-

UCV y esta dividido en cinco capítulos acompañados por las conclusiones y recomendaciones,

las referencias bibliográficas y sus anexos que contienen información sobre los modelos

matemáticos utilizados por el código CFX.

El primer capitulo trata sobre la formulación e importancia del problema estudiado, la

motivación para la realización de esta investigación así como la metodología de trabajo utilizada.

El segundo capitulo trata sobre los estudios previos realizados en distintos países sobre

aspectos relacionados al presente trabajo.

2

El tercer capitulo esta consagrado a las curvas características aerodinámicas de los perfiles

NACA, explicándose brevemente su nomenclatura y la evaluación computacional utilizando el

software VisualFoil 4.1 de los perfiles seleccionados, en este caso, los perfiles NACA de 6

dígitos. La importancia y aporte al campo de la aerodinámica de este capitulo esta principalmente

en la comparación entre la evaluación computacional y los datos experimentales ya que a partir

de esos resultados podemos tener una idea de la aproximación y confiabilidad que tiene el

software utilizado para las geometrías NACA de 6 dígitos con los datos experimentales.

El cuarto capitulo trata sobre la evaluación computacional de perfiles NACA de 6 dígitos y de

perfiles SZ-2000 inclusive los perfiles modificados. Este capitulo es el mas importante del

presente trabajo especial ya que en el podremos observar claramente como una pequeña

modificación en el borde de ataque de un perfil aerodinámico influye notablemente en las curvas

aerodinámicas de los perfiles aerodinámicos, teniendo como resultado un incremento en el

coeficiente de sustentación de los perfiles.

El quinto capitulo trata sobre la aplicación de un código CFD (Computational Fluid

Dynamics) llamado ANSYS CFX sobre un perfil base y su modificación respectiva. En este

capitulo se utiliza este poderoso software con el cual se puede simular el flujo alrededor del perfil

y observar su comportamiento alrededor del contorno del perfil, generación de vortices y la estela

generada. Este tipo de simulaciones se realizo por la primera vez en la EIM-UCV.

El sexto capitulo consta de las conclusiones que se obtuvieron en el trabajo realizado, en este

capitulo se mencionara de manera concreta y clara los resultados obtenidos a partir de dicho

trabajo. Adicionalmente en esta parte están algunas recomendaciones para futuras investigaciones

en esta área.

En las referencias bibliográficas se muestra el material utilizado para la realización de este

proyecto.

En la parte de Anexos se adjunta información adicional sobre el código CFX.

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1. CAPITULO I: FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Y METODOLOGÍA DE ESTUDIO

PLANTEAMIENTO DEL TEMA En este proyecto se estudia la influencia que tiene el borde de ataque de un perfil en las

curvas características aerodinámicas utilizando métodos computacionales con el fin de

incrementar los valores de coeficiente de sustentación y fineza aerodinámica de los perfiles base

seleccionados. En esta investigación se estudiaron 30 perfiles de la serie SZ-2000 y 18 perfiles

NACA de 6 dígitos.

Para lograr este fin se sustituye el borde de ataque extendido aproximadamente un 20% de la

cuerda, por otras curvas similares a parábolas asimétricas, que permita la modificación de la

flecha máxima del perfil y el incremento del coeficiente de sustentación y fineza aerodinámica

para un determinado número de Reynolds.

Por medio del programa computacional VisualFoil 4.1 se evalúan y comparan con datos

experimentales, lo cual nos da la confiabilidad del programa sobre las geometrías estudiadas.

Posteriormente se realiza la comparación de los perfiles base y los perfiles modificados.

La utilización del código CFD para la simulación del flujo alrededor de un perfil con el fin de

evaluar los coeficientes aerodinámicos utilizando otro software y adicionalmente poder observar

y analizar el comportamiento del flujo alrededor de los perfiles estudiados.

1.3 IMPORTANCIA DEL ESTUDIO

La importancia del estudio realizado parte de la necesidad que existe actualmente en los

diseñadores de turbomáquinas, aviones, etc en mejorar la eficiencia y comportamiento de dichos

equipos, necesidad que motiva al estudio de perfiles clásicos de la familia NACA y nuevas series

de perfiles con mejor desempeño aerodinámico. En esta línea de acción están los perfiles

desarrollados recientemente por el Prof. S. Zarea, serie SZ-2000, los cuales presentan una mejora

en el comportamiento con respecto a los perfiles NACA.

Actualmente por medio de nuevos métodos y programas computacionales es posible calcular

parámetros aerodinámicos de mucho interés además de poder trazar las curvas características

aerodinámicas de un perfil, aspecto muy importante que anteriormente era muy difícil de obtener.

Por esta razón por medio de la modificación de algún parámetro con respecto a la geometría de

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perfiles ya existente y el análisis por medio de los programas computacionales es posible diseñar

nuevos perfiles con un mejor comportamiento aerodinámico.

Mediante la modificación del borde de ataque, método históricamente conocido pero que

debido a los laboriosos métodos y recursos antiguamente utilizados a tenido muy poca aplicación

se pueden trazar nuevos perfiles. Aplicando dicho método junto con programas computacionales

se pueden generar nuevos perfiles con todos sus cálculos respectivos los cuales al compararlos

con los perfiles clásicos NACA y los SZ-2000 permitirán establecer conclusiones acerca de

cuanto influye la modificación del borde de ataque en un perfil determinado con respecto al

comportamiento del coeficiente de sustentación y fineza aerodinámica.

1.3 OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL

El objetivo principal de esta investigación consiste en estudiar la influencia que tiene la

modificación del borde de ataque de algunos perfiles serie NACA de 6 dígitos y serie SZ-2000 en

las curvas características aerodinámicas por medio de métodos computacionales.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

El cumplimiento del objetivo principal de este proyecto se llevara a cabo mediante el

seguimiento paso a paso de los objetivos específicos y alcances mencionados a continuación:

• Seleccionar un mínimo de 20 perfiles de las series NACA y SZ-2000 que serán

establecidos como perfiles base para un estudio posterior.

• Por medio del uso de VisualFoil 4.1 trazar las curvas características de los perfiles base

anteriormente seleccionados.

• Utilizar el método de modificación del borde de ataque de los perfiles base siguiendo las

indicaciones del Prof. Tutor.

• Calcular las características geométricas de los perfiles modificados en la versión final

(área, espesor máximo, abscisa del espesor máximo, flecha máxima, abscisa de la flecha

máxima).

• Trazar las curvas características de los perfiles modificados utilizando VisualFoil 4.1.

• Interpretar los resultados comparando las curvas características aerodinámicas de los

perfiles base y modificados.

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• Realizar la simulación del flujo alrededor de un perfil NACA y su homologo modificado

utilizando el software CFX.

1.4. METODOLOGÍA DE TRABAJO

Para lograr los objetivos previamente mencionados se realizarán varias actividades

específicas según la metodología siguiente:

A1- Recopilación y estudio de la bibliografía especifica.

A2- Adquirir destreza en el manejo de los programas VisualFoil 4.1, Grapher y CFX.

A3- Seleccionar los perfiles base NACA y SZ-2000, en común acuerdo con el Prof. tutor.

A4- Trazar computacionalmente las curvas características aerodinámicas de los perfiles

base.

A5- Modificar los bordes de ataque de los perfiles base utilizando las curvas sugeridas por

el Prof. tutor o de su propia selección.

A6- Cálculo de los parámetros y trazado de las curvas características de las mejores

versiones de los perfiles modificados.

A7- Cálculo de los parámetros geométricos de los perfiles estudiados.

A8- Comparar las curvas características de los perfiles modificados y de los perfiles base.

A9- Simular el flujo alrededor de un perfil NACA y su homologo modificado con el

código CFX.

A10- Formular las conclusiones sobre el procedimiento de modificación del borde de

ataque utilizado.

A11- Redacción del informe final.

A12- Defensa publica.

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1.5 NOCIONES BÁSICAS SOBRE PERFILES AERODINÁMICOS

Siguiendo la terminología aceptada en la actualidad (Anderson, Jr., 2006) se presentan las

nociones geométricas y dinámicas principales referentes a perfiles aerodinámicos.

1.5.1 PARAMETROS GEOMÉTRICOS PRINCIPALES

Un perfil es la forma bidimensional que se obtiene de la sección transversal de un ala o del

alabe de cualquier turbomáquina y consiste en un contorno cerrado alargado en la dirección del

flujo delimitando su dominio de ancho variable.

De acuerdo con las condiciones bajo las cuales va a funcionar el perfil, la forma del perfil

puede variar ampliamente. Los perfiles de bajo régimen subsónico, tienen el borde de ataque

redondeado y el borde de fuga termina con un espesor pequeño.

X

y

Extradós

Intradós

Borde de Ataque

Espesor

Flecha del esqueleto

Esqueleto

Borde de Fuga

Cuerda

Fig. 1.5.1.1. Características geométricas principales de un perfil aerodinámico

• Borde de ataque: Es la parte delantera del perfil donde incide la corriente.

• Borde de fuga o salida: Parte posterior del perfil por donde sale la corriente.

• Extradós: Parte del conto

influencia del borde de ataque sobre las curvas...

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